无刷直流电机控制器的设计.docx
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无刷直流电机控制器的设计
无刷直流电机控制器的设计
无刷直流电机控制器的概述
无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。
在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。
目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:
一种采用专用集成电路。
这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。
另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。
这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。
电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：
对各种信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各种控制信号；产生PWM调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压、堵转等故障保护功能。
现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，可以说，每一次微处理器
的进步都推动了控制技术的一次飞跃。
在微处理器出现之前，控制器只能由模拟
系统构成。
由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一、升级换代
困难，而且由分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使
得维护成本增高，限制了它的发展和应用范围。
随着微处理器的迅速发展和推广，
控制器由模拟式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术的进步使
得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现，使系统的可靠性和智
能化水平大大提高。
在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模
拟调速系统。
目前，数字调速系统主要采用两种控制方案：
一种采用专用集成电路。
这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。
另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。
这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便[9][10]。
控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。
其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护
电机及蓄电池，以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。
目前，市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器（霍尔传感器）信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。
该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。
近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP（数字信号处理器）芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C2xx系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。
但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。
采用单片机为主控芯片，如MSSl系列、AVRxx系列、PICxx系列等等，这类芯片响应速度快、功耗低、体积小、价格低廉且组成系统时所需的外围器件少等特点[3]。
它们将是未来电动自行车无刷电机控制器主控芯片的发展方向，拥有广阔的市场前景。
PIC系列单片机是采用精简指令集RISC技术、哈佛双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器（EmbeddedController）。
本文研究的电动自行车车用的无刷直流电机控制器系统是以选取Microchip公司的一款具有极高性能价格比的PIC系列单片机PICl6F72做为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，通常将此类控制器称为数字式控制器；并且采用速度、电流双闭环控制策略，增强系统抗干扰能力，提高电机的运行效率，同时加入一些保护功能，如欠压保护、过电流保护、堵转保护等等，使系统设计更合理化、人性化。
系统采用软件编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便。
第三章无刷直流电机控制器硬件设计
单片机的选择
目前，市场上有很多的无刷电机专用控制芯片，但大部分电动自行车生产厂商都采用Motorola公司的MC33035无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。
本论文设计的无刷直流电机控制器采用PIC16F72单片机作为控制器的主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且也容易实现系统的扩展，通过硬件设计与软件设计，实现多功能的电机控制。
单片机选择的原则有：
★性能性能因素：
根据设计任务的复杂程度，分析采用8位的单片机可以满足系统的控制精度的要求。
但由于整个控制系统有多种模拟量需要转换成数字量，因此所选的单片机应该具有多通道A/D转换模块。
在无刷直流电机的控制中，脉宽调制PWM（PulseWidthModulation）技术被广泛应用，因此所选的单片机应该具有脉宽调制PWM模块。
PWM模块可用来产生不同频率和占空比的脉冲信号。
可方便实现D／A输出功能和实现直流电机的调速等功能。
★安全因素：
电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心部分，单片机的安全性必须达到控制系统的要求。
★产品价格因素：
这也是一个很重要的因素，在其它条件相当的情况下，当然选择价格低的产品，这样可以提高性价比。
所以，根据上述原则对单片机进行选择，选择出最能适用于你的应用系统的单片机，从而保证应用系统有最高的可靠性、最优的性价比、最长的使用寿命和最好的升级换代性，还有市场的推广性。
★运行速度：
单片机的运行速度首先看时钟频率，指令集，几个时钟为一个机器周期
在选用单片机时要根据需要选择速度，不要片面追求高速度，单片机的稳定性、抗干扰性等参数基本上是跟速度成反比的，另外速度快功耗也大。
★I／O口：
I／O口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑的问题之一，根据实际需要确定数量，I／O多余不仅芯片的体积增大，也增加了成本。
★定时／计数器：
多数单片机提供2~3个定时／计数器，有些定时／计数器还具有输入捕获、输出比较和PWM（脉冲宽度调制）功能，利用这些模块不仅可以简化软件设计，而且能少占用CPU的资源。
★串行接口：
单片机常见的串行接口有：
标准UART接口、增强型UART接口、I2C总线接口、CAN总线接口、SPI接口、USB接口等。
大部分单片机都提供了UART接口，也有部分单片机没有串行接口。
★工作电压、功耗：
单片机的工作电压最低可以达到，最高为6V，常见的是3V和5V
单片机的功耗参数主要是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电流，用电池供电的系统要选用电流小的产品，同时要考虑是否要用到单片机的掉电模式，如果要用的话必须选择有相应功能的单片机。
★其他方面：
在单片机的性能上还有很多要考虑的因素，比如中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内部有无时钟振荡器、有无上电复位功能等等。
PIC单片机特点：
单片机（PeripheralInterfaceController）是一种用来开发和控制外围设备的。
一种具有分散作用（多任务）功能的。
是美国Microchip公司生产的产品。
PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计人员接受。
PIC系列单片机具有高，中，低3个档次，可以满足不同用户开发的需求，适合在各个领域中的应用。
PIC系列单片机具有如下特点:
单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好。
在一些小型的应用中，比传统的51单片机更加灵活，外围电路更少，因而得到了广泛的应用。
指令少，PIC中低档系列单片机共有35条指令，非常有利于易记忆和掌握,指令为单字节，占用程序存储器的空间小，而且中档系列单片机每一条指令为14位，前6位存操作指令，后8位存操作数.大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片，支持低电压擦写,擦写速度快，允许多次擦写，程序修改方便。
（1）单片机种类丰富
PIC单片机目前有8位系列、16位系列和32位系列。
它的最大特点是重视产品的性能和价格比，靠发展多种系列产品来满足不同层次的应用要求，而不是搞单纯的功能堆积。
（2）哈佛总线结构
如图3-4所示，PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础上采用的哈佛总线结构，将和器分开，使得读程序和对数据的存取可以同时进行，为采用不同的字节宽度，有效扩展指令的字长奠定了技术基础。
，每个存储器、独立访问。
与两个存储器相对应的是系统的4条总线：
程序的与，数据的数据总线与地址总线。
这种分离的程序总线和可允许在一个内同时获得和，从而提高了执行速度，提高了数据的吞吐率。
又由于程序和数据存储在两个分开的物理空间中，因此取址和执行能完全重叠。
首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作。
程序指令存储和分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。
并且程序存储器和数据存储器采用的是不同的，从而提供了较大的，使数据的移动和交换更加方便，尤其提供了较高的性能。
图3-4PIC系列单片机哈佛总线结构
（3）RISC技术
RISC（ReducedInstructionSetComputer）是指精简指令集计算机。
主要特点有：
性能特点：
由于简化后，以及常用指令均可用硬件执行；
采用大量的，使大部分指令操作都在之间进行，提高了处理速度；
采用缓存—主机—外存三级存储结构，使取数与存数指令分开执行，使处理器可以完成尽可能多的工作，且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。
应用特点：
由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快；
运行特点：
RISC芯片的工作频率一般在400MHZ。
低，功率消耗少，温升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。
RISC技术的作用是减少指令，改善计算机的结构，提高计算机的运算速度。
PIC16F72单片机指令集系统有35条指令，均采用单字节指令，而且除4条判断转移指令发生间跳外，其余的都是单周期指令，执行的速度较高。
（4）指令特色
PIC系列单片机的指令系统具有代码压缩率高和寻址方式简单等优点。
（5）功耗低
由于PIC系列单片机采用的是CMOS结构，所以它的功率消耗很低。
（6）驱动能力强
PIC单片机的I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动20-25mA的负载；它既能够在高电平下直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等，也能在低电平下直接驱动，这样可以大大简化控制电路。
（7）应用平台界面友好，开发方便
它的应用平台界面友好，开发方便，这不管是对初学者还是后续的应用开发，都提供了完善的硬件和软件支持，包括各档次的硬件仿真器和编程器。
（8）程序存储器版本齐全
Microchip公司生产的产品是一个单片机系列，可供用户选择的存储器类别较多，为产品的不同应用场合提供了一个全方位的选择内容和不同的性能档次。
PIC16F72单片机的主要性能
PICl6F72单片机是目前电瓶车控制器的主流控制芯片。
对PIC16F72单片机的外部资源：
它的频率有20MHz，其中有2K字14位宽的程序存储空间，伴随着128字节8位宽的数据存储空间；另外有28个引脚，去掉电源、复位、振荡器等，共有22个可复用的IO端口，其中第13脚是CCP1输出口，可输出最大分辨率达10BIT的可调PWM信号，当中有8个中断，3个8位I/O口以及PORTA、PORTB、PORTC；还有三个定时器模块：
TIMER0、TIMER1、TIMER2，并随带着一个PWM输出（CCP）模块；8位5通道的AD模数转换输入口，可提供检测外部电路的电压，一个外部中断输入脚，可处理突发事件。
PIC16F72单片机的引脚排列
图3-1PIC16F72引脚图
各引脚应用如下：
1：
MCLR复位/烧写高压输入两用口
2：
模拟量输入口：
放大后的电流信号输入口，单片机将此信号进行A-D转换后经过运算来控制PWM的输出，使电流不致过大而烧毁功率管。
正常运转时电压应在左右
3：
模拟量输入口：
电源电压经分压后的输入口，单片机将此信号进行A-D转换后判断电池电压是否过低，如果低则切断输出以保护电池，避免电池因过放电而损坏。
正常时电压应在3V以上
4：
模拟量输入口：
线性霍尔组成的手柄调速电压输入口，单片机根据此电压高低来控制输出给电机的总功率，从而达到调整速度的目的。
5：
模拟/数字量输入口：
刹车信号电压输入口。
可以使用AD转换器判断，或根据电平高低判断，平时该脚为高电平，当有刹车信号输入时，该脚变成低电平，单片机收到该信号后切断给电机的供电，以减少不必要的损耗。
6：
数字量输入口：
1+1助力脉冲信号输入口，当骑行者踏动踏板使车前行时，该口会收到齿轮传感器发出的脉冲信号，该信号被单片机接收到后会给电机输出一定功率以帮助骑行者更轻松地往前走。
7：
模拟/数字量输入口：
由于电机的位置传感器排列方法不同，该口的电平高低决定适合于哪种电机，目前市场上常见的有所谓120°和60°排列的电机。
有的控制器还可以根据该口的电压高低来控制起动时电流的大小，以适合不同的力度需求。
8：
单片机电源地。
9：
单片机外接振荡器输入脚。
10：
单片机外接振荡器反馈输出脚。
11：
数字输入口：
功能开关1
12：
数字输入口：
功能开关2
13：
数字输出口：
PWM调制信号输出脚，速度或电流由其输出的脉冲占空比宽度控制。
14：
数字输入口：
功能开关3
15、16、17：
数字输入口：
电机转子位置传感器信号输入口，单片机根据其信号变化决定让电机
的相应绕组通电，从而使电机始终向需要的方向转动。
这个信号上面讲过有120°和60°之分，这个角度实际上是这三个信号的电相位之差，120°就是和三相电一样，每个相位和前面的相位角相差120°。
60°就是相差60°。
18：
数字输出口：
该口控制一个LED指示灯，大部分厂商都将该指示灯用作故障情况显示，当控制器有重大故障时该指示灯闪烁不同的次数表示不同的故障类型以方便生产、维修。
19：
单片机电源地。
20：
单片机电源正。
+5V电压输入，上限是。
21：
数字输入口：
外部中断输入，当电流由于意外原因突然增大而不在控制范围时，该口有低电平脉冲输入。
单片机收到此信号时产生中断，关闭电机的输出，从而保护重要器件不致损坏或故障不再扩大。
22：
数字输出口：
同步续流控制端，当电流比较大时，该口输出低电平，控制其后逻辑电路，使同步续流功能开启。
该功能在后面详细讲解。
23--28：
数字输出口：
是功率管的逻辑开关，单片机根据电机转子位置传感器的信号，由这里输出三相交流信号控制功率MOSFET开关的导通和关闭，使电机正常运转。
PIC16F72单片机的功能特性
（1）功能部件的特性
带有8位5通道模数转换器；高驱动电流，每个I／O引脚灌电流和拉电流最大均可达25mA；可直接驱动数码管（LED）、光耦合器等器件工作；可双向独立编程设置I/O引脚；8位定时器/计数器TMRO，带8位预分频器；有1路捕捉输入/比较输出/PWM输出（CCP）；16位定时器/计数器TMR1，休眠中仍可计数；8位定时器/计数器TMR2,带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器；带有SPITM（主/从模式）和I2CTM（从模式）同步串口；带软件控制选择的欠压检测（BOD）；欠压检测电路用于欠压复位（BOR）。
（2）微控制器的特殊功能：
使用高性能的RISCCPU；可进行1000次擦写操作的闪存程序存储器（标准值）；上电复位（POR），上电延时定时器（PWRT）和振荡器起振定时器（OST），采用自身片上RC振荡器可靠工作的看门狗定时器（WDT）；断电复位锁定，即当芯片电源电压下降到某一值以后时，使芯片保持复位，当电源电压恢复正常后恢复运行；可编程代码保护；省电的休眠模式，可选振荡器选项；通过2个引脚进行在线串行编程（ICSPTM）；处理器读取程序存储器【1】
PIC16F72单片机对PWM信号的处理
直流电动机调速的方法可分为励磁控制法和电枢电压控制法。
在众多的电枢电压控制方法中，脉宽调制（PWM）技术因为需用的大功率可控器件少、线路简单、调速范围宽、电流波形系数好、附加损耗小、功率因数高的优点，从而得到广泛应用。
CCP（捕捉输入／比较输出／PWM输出）模块是PICl6F72芯片的重要组成部分，它有3种工作方式：
捕捉方式、输出比较方式和脉宽调制方式。
当处于脉宽调制工作方式时，可以在引脚输出分辨率高达10位的PWM信号。
用程序语言控制PWM信号的周期和高电平持续时间，从而控制电机的电枢电压，以达到调速的目的【31】。
逆变开关管驱动电路设计
逆变开关元件MOSFET
MOSFET在1960年由贝尔实验室的D.Kahng和MartinAtalla实验成功，这种元件的操作原理和双载子晶体管（BipolarJunctionTransistor,BJT）截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势，在大型积体电路（Large-ScaleIntegratedCircuits,LSI）或是超大型积体电路（VeryLarge-ScaleIntegratedCircuits,VLSI）的领域里，重要性远超过BJT。
近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。
开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题
（1）IR2103的特点：
采用双列8脚封装，高端工作电压为600V，低端工作电压为10~20V，功率为1W。
IR2103是一款半桥驱动集成芯片，该芯片内部集成了互相独立的控制驱动输出电路，可直接驱动两个中功率半导体器件，如MOSFE或IGBT，动态响应快，驱动能力强，工作频率高，且具有多种保护功能。
IR2103配备有大脉冲电流缓冲级，可将交叉传导减至最低；同时采用具有下拉功能的施密特触发式输入设计，可有效隔绝噪音，以防止器件意外开通。
IR2103的引脚图如图3-2所示。
图3-2IR2103引脚图
引脚功能如下：
1脚VCC：
逻辑电源与低端电源电压；
2脚HIN：
高端逻辑输入；
3脚LIN：
低端逻辑输入；
4脚COM：
低端电源接地；
5脚LO：
低端驱动输出电压；
6脚VS：
高端浮偏电源偏置电压：
7脚HO：
高端驱动输出电压；
8脚VB：
高端浮置电源电压。
（2）IR2103主要功能：
引脚8是高端浮置电源连接端，通过自举电容上桥臂功率管的驱动器提供内部浮置电源，引脚6是与引脚8对应的浮偏电源的地端。
引脚2和引脚3分别是上桥臂功率管和下桥臂功率管的驱动信号逻辑输入端，引脚2是高电平有效，引脚3是低电平有效，他们的输入信号范围为3V~5V，与TTL电平和CMOS电平兼容。
引脚7和引脚5分别是输出逆变桥上桥臂和下桥臂的功率开关器件的驱动信号端，其输出的电平信号范围为10~20V，其输出的信号受引脚2和引脚3的共同控制，具体的输入输出时序逻辑关系如图3-3所示：
图3-3IR2103输入输出时序逻辑关系图
IR2103芯片内部电路框图：
IR2103工作原理非常简单，在满足自举得情况下，当IR2103的2脚HIN高端逻辑输入为高电平时，7脚HO高端驱动输出电压端输出高电平，使上桥管VT1导通。
当IR2103的3脚LIN低端逻辑输入为高电平时，5脚LO低端驱动输出电压端输出高电平，使下桥管VT2导通。
由于有死区时间控制，5脚LO低端驱动输出电压和7脚HO高端驱动输出电压不会同时出现高电平的，也就是说，上下桥管VT1、VT2不会同时导通的，既不会发生直通现象。
IR2103的2、3脚受单片机控制的。
在电动自行车的无刷电机控制电路中，就是利用单片机去控制三个IR2103，对于由六个功率元件构成的三相桥式逆变器来说，采用三片IR2103三个桥臂是中小型功率变换的理想选择。
此类逆变电路中的主电路可将直流电压（+VCC）逆变为三相交流输出电压U、V、W，送给无刷电机。
由于三相逆变器每个周期总有一个上下管导通，故上管自举电容容易充电，三个上管自举电路可有序工作。
但若IR2103使用不当，尤其是自举电容选择不好，易导致芯片损坏或不能正常工作。
IR2103典型的应用电路（驱动电路图）：
此外，IR2103所具备的产生死区时间功能如图3-4所示：
图3-4死区时间波形图
当HIN和LIN同时从低电平跳变到高电平时，HO和LO并不是在同一个时间往各自相反的方向跳变，而是HO的输出波形要比LO的输出波形窄，从而在两个波形跳变处产生了时间差DT，这个时间差DT就是死区时间。
根据IR3103的Datesheet，产生的死区时间DT的大致范围是400~650ns，满足MOSFET的开通或关断时间。
由于后续部分的硬件电路设计部分要用到死区时间，所以在先这里简单的介绍一下。
无刷直流电机控制器的硬件设计
本文设计的无刷直流电机控制器硬件电路主要包括直流电源模块、调速与刹车输入模块、功率驱动模块（即逆变桥驱动电路，其主要功能是驱动功率MOSFET管控制电机电流）、功率输出模块（即逆变桥电路）、智能控制模块（以PIC16F72单片机为主控电路，其主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护）；以及包活霍尔位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围保护、辅助电路，其主要功能有完成对信号的采样、对电路的供电、提供显示信号、发出报警信号等功能。
无刷直流电机控制器原理框图如图3-5所示：
图3-5无刷直流电机控制器原理框图
直流电源模块经过一系列的变压转换，能输出一系列不同的电压值，为整机的不同模块提供合适的电压值和电流值，是整机的动力来源。
对电动自行车用无刷直流电机来说，由于其只能采用电池形式的供电方式，而电池的能量总是越用越少，所以必须定时检测电源的电压以确定电池的剩余电量，以免使用电池过量而造成电池的使用寿命缩短。
调速和刹车输入模块主要是实现电机的调速输入。
它的实现方式为通过输出电位器的电压变化来表示此时电机的输出速度应该做的增减调整，为后面所提及的PWM调速原理提供依据。
逆变桥驱动模块在接收到智能控制系统所提供的换相信号以及调速信号后，通过一系列的模数转换，使电机控制器输出的信号转换成相对应的控制逆变桥电路动作的驱动信号，从而以达到正确控制逆变桥电路动作的目的。
逆变桥电路根据逆变桥电路的驱动信号使各个MOSFET晶体管做相应的开关动作，为无刷直流电机提供动作能量，以驱动无刷直流电机做加速、减速、匀速、制动等一系列的动作。
智能控制模块是控制器的核心部分。
一方面，控制模块接收来自无刷电机的霍尔传感器发送过来的位置信号，并经过一系列算法的处理后向逆变桥电路输出换相的波形，使电机能正常运转；另一方面，控制模块通过对调速和刹车信号的采集来确定电机的预定转速，同时根据实时采集的霍尔位置信号来确定预定速度和实际速度之间的差值。
然后采集逆变桥电流，在电机的电流没有超出最大电流的前提下，控制模块通过调节PWM波的占空比以达到速度调节的目的；同时，控制模块还要采集电源电压的信号，确保电源没有工作在欠压状态。
电源电路设计部分
稳压芯片LM317芯片概述
LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅
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